TWI723412B

TWI723412B - 磁場感測裝置

Info

Publication number: TWI723412B
Application number: TW108119421A
Authority: TW
Inventors: 袁輔德
Original assignee: 愛盛科技股份有限公司
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2021-04-01
Also published as: TW202045947A

Abstract

一種磁場感測裝置，包括多個磁阻感測器、檢測磁場產生元件、多個磁化方向設定元件以及電流產生器。各磁阻感測器具有彼此互為垂直的長軸與短軸。電流產生器用以選擇性地施加第一電流至檢測磁場產生元件，以使檢測磁場產生元件對這些磁阻感測器產生參考磁場。參考磁場的磁場方向平行於短軸。電流產生器用以選擇性地施加第二電流以使這些磁化方向設定元件對這些磁阻感測器產生多個設定磁場。各設定磁場的磁場方向平行於長軸。

Description

磁場感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測裝置，且特別是有關於一種自建有檢測磁場產生元件的磁場感測裝置。

隨著科技的發展，具有導航與定位功能的電子產品也越來越多樣化。電子羅盤在車用導航、飛航以及個人手持式裝置的應用領域中提供了相當於傳統羅盤的功能。而為了實現電子羅盤的功能，磁場感測裝置變成了必要的電子元件。

當磁場感測裝置完成後，通常會被送往檢測系統以進行校準。但是，若為了要產生大範圍的檢測磁場以一次性地檢測多個磁場裝置的話，檢測系統需要較大的體積，其所需要的電流也較大。並且，檢測過程中也需要花費大量的運送與檢測時間，造成磁場感測裝置的生產成本與生產時間提高。

本發明提供一種磁場感測裝置，其具有自檢測功能以及較低的生產成本。

本發明的一實施例中提供了一種磁場感測裝置，包括多個磁阻感測器、檢測磁場產生元件、多個磁化方向設定元件以及電流產生器。各磁阻感測器具有彼此互為垂直的第一長軸與第一短軸。檢測磁場產生元件設置於這些磁阻感測器旁且與這些磁阻感測器重疊設置。這些磁化方向設定元件設置於這些磁阻感測器旁且與這些磁阻感測器重疊設置。電流產生器用以選擇性地施加第一電流至檢測磁場產生元件，以使檢測磁場產生元件對這些磁阻感測器產生參考磁場。電流產生器用以選擇性地施加第二電流以使這些磁化方向設定元件對這些磁阻感測器產生多個設定磁場。各設定磁場的磁場方向平行於各磁阻感測器的第一長軸。

在本發明的一實施例中，上述的檢測磁場產生元件包括多個導體，且所述多個導體彼此並聯設置。各導體更包括彼此互為垂直的第二長軸與第二短軸，且第二長軸平行於磁阻感測器的第一長軸。

在本發明的一實施例中，上述的檢測磁場產生元件包括多個導體組。各導體組更包括多個彼此並聯設置的導體。各導體更包括彼此互為垂直的第二長軸與第二短軸，且第二長軸平行於磁阻感測器的第一長軸。這些導體組彼此串聯設置。

在本發明的一實施例中，在各導體組中，定義一正投影範圍且此正投影範圍涵蓋對應的導體組內的所有導體。這些正投影範圍彼此互不重疊。

在本發明的一實施例中，在各導體組中，定義一正投影範圍且此正投影範圍涵蓋對應的導體組的所有導體。這些正投影範圍兩兩互為重疊。

在本發明的一實施例中，上述的多個導體組包括至少一第一導體組與至少一第二導體組。第一導體組內的多個導體為多個第一導體。第二導體組內的多個導體為多個第一導體。這些第一導體與這些第二導體彼此交叉設置。

在本發明的一實施例中，上述的這些導體組包括單一個第一導體組與單一個第二導體組。

在本發明的一實施例中，上述的這些導體組包括多個第一導體組與多個第二導體組。

在本發明的一實施例中，上述的各磁化方向設定元件具有彼此互為垂直的第三長軸與第三短軸。第三長軸垂直於磁阻感測器的第一長軸。這些磁阻感測器更包括多個並列設置的第一磁阻感測器與多個並列設置的第二磁阻感測器。各第一磁阻感測器與對應的第二磁阻感測器串聯設置。這些磁化方向設定元件更包括第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件。第一磁化方向設定元件與這些第一磁阻感測器重疊設置，且第二磁化方向設定元件與這些第二磁阻感測器重疊設置。

在本發明的一實施例中，上述的這些磁化方向設定元件設置於這些磁阻感測器與檢測磁場產生元件之間。

在本發明的一實施例中，上述的磁場感測裝置更包括第一絕緣層與第二絕緣層。第一絕緣層位於這些磁阻感測器與這些磁化方向設定元件之間。第二絕緣層位於這些磁化方向設定元件與檢測磁場產生元件之間。

在本發明的一實施例中，上述的磁阻感測器的種類為異相性磁阻感測器。

基於上述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，其藉由檢測磁場產生元件對磁阻感測器產生參考磁場，且此參考磁場可用以校正磁阻感測器的靈敏度與正交性，因此磁場感測裝置可實現自檢測功能。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100:磁場感測裝置

110:磁阻感測器、異向性磁阻感測器

112:第一磁阻感測器

114:第二磁阻感測器

120、120a~120c:檢測磁場產生元件

130:磁化方向設定元件

132:第一磁化方向設定元件

134:第二磁化方向設定元件

140:電流產生器

150、160:絕緣層

A-A’:剖面

C:導體

C1:第一導體

C2:第二導體

CS:導體組

CS1、CS1a~CS1c:第一導體組

CS2、CS2a~CS2c:第二導體組

D:延伸方向

D1~D3:方向

FF:鐵磁膜

H:外在磁場

H_M:設定磁場

H_R:參考磁場

M:磁化方向

PR、PR1、PR2:正投影範圍

SB:短路棒

SD:感測方向

I:電流

I₁:第一電流

I₁/2:第一電流的一半

I₂:第二電流

圖1為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。

圖2為圖1中的剖面A-A’的剖面示意圖。

圖3A與圖3B為圖1中異向性磁阻感測器的不同佈局方法。

圖4到圖6示出了本發明不同實施例的檢測磁場設定元件的電路佈局示意圖。

為了方便說明本發明實施例的磁場感測裝置的配置方式，磁場感測裝置可被視為處於一由方向D1、方向D2與方向D3所構成的空間內，其中方向D1、D2、D3兩兩互為垂直。

圖1為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。圖2為圖1中的剖面A-A’的剖面示意圖。圖3A與圖3B為圖1中異向性磁阻感測器的不同佈局方法。

請參照圖1與圖2，在本實施例中，磁場感測裝置100包括多個磁阻感測器110、檢測磁場產生元件120、多個磁化方向設定元件130、電流產生器140以及多個絕緣層150、160。於以下的段落中會詳細地說明以上元件。

在本發明的實施例中所指的磁阻感測器110係指其電阻可經由外在磁場變化而對應改變的感測器。磁阻感測器110可為異向性磁阻感測器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor,AMR resistor)。各磁阻感測器110具有彼此互為垂直的第一長軸與第一短軸，其中第一長軸(未標示)與第一短軸(未標示)例如分別與方向D1、D2平行。參照圖3A以及圖3B，異向性磁阻感測器110例如是具有理髮店招牌(barber pole)狀結構，亦即其表面設有相對於異向性磁阻感測器110的延伸方向D傾斜45度延伸的多個短路棒(electrical shorting bar)SB，這些短路棒SB彼此相間隔且平行地設置於鐵磁膜(ferromagnetic film)FF上，而鐵磁膜FF為異向性磁阻感測器110的主體，其延伸方向即為異向性磁阻感測器110的延伸方向。異向性磁阻感測器110的感測方向SD垂直於延伸方向D。此外，鐵磁膜FF的相對兩端可製作成尖端狀(tapered)。

在本發明的實施例中，檢測磁場產生元件120與磁化方向設定元件130係為可藉由通電而產生磁場的線圈、導線、金屬片、導體中的任一者或其組合。檢測磁場產生元件120例如是檢測磁場產生線圈。於本實施例中，檢測磁場產生元件120包括多個並列設置的導體C，其數量例如是兩個，但不以此為限。每一導體C各別具有彼此互為垂直的第二長軸(未標示)與第二短軸(未標示)，其中第二長軸與第二短軸分別與方向D1、D2平行。另一方面，磁化方向設定元件130例如是金屬導體板，其數量例如是兩個，此二磁化方向設定元件130分別被稱為第一、第二磁化方向設定元件132、134。各磁化方向設定元件具有彼此互為垂直的第三長軸(未標示)與第三短軸(未標示)，其中第三長軸與第三短軸分別與方向D2、D1平行。

上述的「長軸」被定義為平行於元件長邊且通過元件中心點的一參考軸，而上述的「短軸」則被定義為平行於元件短邊且通過元件中心點的另一參考軸。

在本發明的實施例中，電流產生器140係指用以提供電流的電子元件。

在本發明的實施例中，絕緣層150、160的材料例如是二氧化矽、氧化鋁、氮化鋁、氮化矽或者是其他具有絕緣功能的材料，本發明不以此為限。

為了要說明本實施例的磁場感測裝置100的配置效果，於以下的段落先簡介本實施例的磁場感測裝置100量測磁場的基本原理。

異向性磁阻感測器110在開始量測外在磁場H之前，可先藉由磁化方向設定元件130來設定其磁化方向。在圖3A中，磁化方向設定元件130可藉由通電產生沿著延伸方向D(或稱長軸方向)的磁場，以使異向性磁阻感測器110具有磁化方向M。

接著，磁化方向設定元件130不通電，以使異向性磁阻感測器110開始量測外在磁場H。當沒有外在磁場H時，異向性磁阻感測器110的磁化方向M維持在延伸方向D上，此時電流產生器140可施加一電流I，使電流I從異向性磁阻感測器110的左端流往右端，則短路棒SB附近的電流I的流向會與短路棒SB的延伸方向垂直，而使得短路棒SB附近的電流I流向與磁化方向M夾45度，此時異向性磁阻感測器110的電阻值為R。

當有一外在磁場H朝向垂直於延伸方向D的方向時，異向性磁阻感測器110的磁化方向M會往外在磁場H的方向偏轉，而使得磁化方向與短路棒附近的電流I流向的夾角大於45度，此時異向性磁阻感測器110的電阻值有-△R的變化，即成為R-△R，也就是電阻值變小，其中△R大於0。

然而，若如圖3B所示，當圖3B的短路棒SB的延伸方向設於與圖3A的短路棒SB的延伸方向夾90度的方向時(此時圖3B的短路棒SB的延伸方向仍與異向性磁阻感測器110的延伸方向D夾45度)，且當有一外在磁場H時，此外在磁場H仍會使磁化方向M往外在磁場H的方向偏轉，此時磁化方向M與短路棒SB附近的電流I流向的夾角會小於45度，如此異向性磁阻感測器110的電阻值會變成R+△R，亦即異向性磁阻感測器110的電阻值變大。

此外，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁阻感測器110的磁化方向M設定為圖3A所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖3A的異向性磁阻感測器110的電阻值會變成R+△R。再者，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁阻感測器110的磁化方向M設定為圖3B所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖3B的異向性磁阻感測器110的電阻值會變成R-△R。

因此，於本實施例中，磁場感測裝置100例如是藉由四個磁阻感測器110來構成一惠斯同全橋，所屬技術領域中具有通常知識者可依據這些磁阻感測器110並搭配上述或其他種不同的電路設計以及上述磁阻感測器110因外在磁場而導致的電阻值變化情形，以對應量測到外在磁場H在一特定方向上的磁場分量的訊號。於其他未示出的實施例中，磁場感測裝置例如是包括四個以上磁阻感測器110，而構成多個惠斯同全橋或半橋，以對應量測到外在磁場H在不同特定方向上的磁場分量的訊號。或者是，於另一些實施例中，磁場感測裝置例如是包括一至三個的磁阻感測器110，於這些實施例中，磁場感測裝置可單就各別的磁阻感測器110對外在磁場H的變化而產生的一響應訊號，而得知磁場的變化。本發明並不以磁阻感測器120的數量與其電路設計為限制。

於以下的段落中會詳細地說明本實施例的磁場感測裝置100中的各元件配置方式與對應的效果。

請參照圖1與圖2，於本實施例中，檢測磁場產生元件120設置於這些磁阻感測器110旁且與這些磁阻感測器110重疊設置。詳細來說，各磁阻感測器110的第一長軸、第一短軸分別與檢測磁場產生元件120中與其對應的導體C的第二長軸、第二短軸平行設置，且各磁阻感測器110落在對應的導體C的正投影範圍內。電流產生器140可選擇性地對檢測磁場產生元件120施加第一電流I₁，以使這些導體C對這些磁阻感測器110產生磁場方向為方向D2的一參考磁場H_R。也就是說參考磁場H_R的磁場方向係平行於磁阻感測器110的第一短軸。此參考磁場H_R的磁場方向與各磁阻感測器110的感測方向相同，並用以校正各磁阻感測器110的靈敏度(Sensitivity)與正交性(Orthogonality)。

這些磁化方向設定元件130設置於這些磁阻感測器110旁，且各磁化方向設定元件130同時與對應的磁阻感測器110與檢測磁場產生元件120重疊設置。詳細來說，各磁化方向設定元件130的第三長軸、第三短軸分別與磁阻感測器110(或導體C)的第一短軸(或第二短軸)、第一長軸(或第二長軸)平行設置。並且，根據上述的段落，磁場感測裝置100在量測磁場之前，需要設定這些磁阻感測器110的磁化方向。這些磁阻感測器110可被分為多個第一磁阻感測器112以及多個第二磁阻感測器114。這些第一、第二磁阻感測器112、114分別與第一、第二磁化方向設定元件132、134重疊設置。各第一磁阻感測器114與對應的第二磁阻感測器114串聯設置，而耦接成惠斯同電橋的一電橋臂。

當電流產生器140對第一、第二磁化方向設定元件132、134施加第二電流I₂時，第一、第二磁化方向設定元件132、134對這些磁阻感測器110產生磁場方向為方向D1或其反方向的多個設定磁場H_M。也就是說，這些設定磁場H_M的磁場方向平行於各磁阻感測器110的第一長軸。由於這些磁化方向設定元件132、134係採取S型電路迴路的方式配置，第二電流I₂在第一、第二磁化方向設定元件132、134內的電流流向互為反平行(Anti-parallel)，這些設定磁場H_M彼此亦互為反平行。因此，第一磁化方向設定元件132可將這些第一磁阻感測器112的磁化方向設定為方向D1，而第二磁化方向設定元件134可將這些第二磁阻感測器114的磁化方向設定為方向D1的反方向。

請參照圖2，於本實施例中，絕緣層150位於這些磁阻感測器110與這些磁化方向設定元件130之間，且絕緣層150覆蓋這些磁化方向設定元件130。絕緣層160位於這些磁化方向設定元件130與檢測磁場產生元件120之間。

承上述，在本實施例的磁場感測裝置100中，檢測磁場產生元件120設置於這些磁阻感測器110旁且與這些磁阻感測器10重疊設置。檢測磁場產生元件120可被電流產生器140施與第一電流I₁而對這些磁阻感測器產生一平行於磁阻感測器110的短軸方向的一參考磁場H_R，此參考磁場H_R可用以校準這些磁阻感測器110的敏感度與正交性，因此磁場感測裝置100可實現自檢測功能。並且，由於檢測磁場產生元件120設置於這些磁阻感測器110旁，兩者彼此之間的距離相當靠近，檢測磁場產生元件120所需的電流不需要太大而可產生足夠強度的參考磁場H_R，也就是說，在檢測過程中其不需耗費太多能量。

同時，磁場感測裝置100適於由標準探針系統(standard probing System)進行檢測，由於標準探針系統具有高產率以及短的檢測時間，可以降低磁場感測裝置100整體的生產成本以及生產時間。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。

請參照圖4，圖4的檢測磁場設定元件120a類似於圖1的檢測磁場設定元件120a，其主要差異在於：檢測磁場設定元件120a包括多個導體組CS。各導體組CS包括彼此並聯設置的導體C。這些導體組CS再彼此串聯設置。於本實施例中，導體組的數量例如為二，其分別稱為第一、第二導體組CS1、CS2，且第一、第二導體組CS1、CS2內的導體C分別稱為第一、第二導體C1、C2。。第一、第二導體組CS1、CS2導體C的數量分別皆為四個，但本發明並不以導體組與導體的數量為限。此外，於本實施例中，各導體組CS可定義一正投影範圍PR，其中正投影範圍PR的定義方式例如是在方向D3上，涵蓋導體組CS內對應的多個導體C 的正投影範圍。舉例來說，正投影範圍PR1涵蓋了第一導體組CS1中的所有第一導體C1，正投影範圍PR2涵蓋了第二導體組CS2中的所有第二導體C2。於本實施例中，這些正投影範圍PR彼此互不重疊。

請參照圖5，圖5的檢測磁場設定元件120b類似於圖4的檢測磁場設定元件120a，其主要差異在於：多個導體組CS所定義的多個正投影範圍PR兩兩互為重疊。具體來說，多個導體組CS例如包括單一個第一導體組CS1b(以實線表示的兩個第一導體C1)與單一個第二導體組CS2b(以虛線表示的兩個第二導體C2)。為求清楚表示，與第一導體組CS1b直接連接的導線以實線表示，而與第二導體組CS2b直接連接的導線以虛線表示。第一、第二導體組CS1b、CS2b所分別定義的第一、第二正投影範圍PR1b、PR2b彼此互為重疊。於本實施例中，第一、第二導體組CS1b、CS2b分別具有的第一、第二導體C1、C2的數量皆為二，但本發明並不以此為限。此外，於其他未示出的實施例中，檢測磁場設定元件可更具有第三導體組，且其定義的第三正投影範圍例如是與第二正投影範圍重疊。

請再參照圖5，由另一觀點觀之，第一、第二導體組CS1b、CS2b所分別具有的第一、第二導體C1、C2彼此交叉設置，而成指叉式排列。具體來說，在任兩相鄰的第一導體C1間夾設有一第二導體C2，而在任兩相鄰的第二導體C2間夾設有一第一導體C1。

請參照圖6，圖6的檢測磁場設定元件120c類似於圖5 的檢測磁場設定元件120b，其主要差異在於：第一導體組CS1c的數量為多個(例如是三個)，第二導體組CS2c的數量亦為多個(例如是三個)。為求清楚表示，與第一導體組CS1c直接連接的導線以實線表示，而與第二導體組CS2c直接連接的導線以虛線表示。於本實施例中，這些第一導體組CS1c先串聯完後，再與這些第二導體組CS2c串聯。

綜上所述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，檢測磁場產生元件設置於多個磁阻感測器旁且與這些磁阻感測器重疊設置。檢測磁場產生元件可被電流產生器施與第一電流而對這些磁阻感測器產生一平行於磁阻感測器的短軸方向的一參考磁場，此參考磁場可用以校準這些磁阻感測器的敏感度與正交性，因此磁場感測裝置可實現自檢測功能。並且，由於檢測磁場產生元件設置於這些磁阻感測器旁，因此兩者彼此之間的距離相當靠近，檢測磁場產生元件所需的電流大小不需要太大而可產生足夠強度的參考磁場，其檢測過程的耗能較低。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。